我是如何一步步的在并行编程中将lock锁次数降到最低实现无锁编程
在并行编程中，经常会遇到多线程间操作共享集合的问题，很多时候大家都很难逃避这个问题做到一种无锁编程状态，你也知道一旦给共享集合套上lock之后，并发和伸缩能力往往会造成很大影响，这篇就来谈谈如何尽可能的减少lock锁次数甚至没有。
一：缘由
1. 业务背景
昨天在review代码的时候，看到以前自己写的这么一段代码，精简后如下：
private static List<long> ExecuteFilterList(int shopID, List<MemoryCacheTrade> trades, List<FilterConditon> filterItemList, MatrixSearchContext searchContext)
{
var customerIDList = new List<long>();
var index = 0;
Parallel.ForEach(filterItemList, new ParallelOptions() { MaxDegreeOfParallelism = 4 },
(filterItem) =>
{
var context = new FilterItemContext()
{
StartTime = searchContext.StartTime,
EndTime = searchContext.EndTime,
ShopID = shopID,
Field = filterItem.Field,
FilterType = filterItem.FilterType,
ItemList = filterItem.FilterValue,
SearchList = trades.ToList()
};
var smallCustomerIDList = context.Execute();
lock (filterItemList)
{
if (index == 0)
{
customerIDList.AddRange(smallCustomerIDList);
index++;
}
else
{
customerIDList = customerIDList.Intersect(smallCustomerIDList).ToList();
}
}
});
return customerIDList;
}
这段代码实现的功能是这样的，filterItemList承载着所有原子化的筛选条件，然后用多线程的形式并发执行里面的item，最后将每个item获取的客户人数集合在高层进行整体求交，画个简图就是下面这样。
2. 问题分析
其实这代码存在着一个很大的问题，在Parallel中直接使用lock锁的话，filterItemList有多少个，我的lock就会锁多少次，这对并发和伸缩性是有一定影响的，现在就来想想怎么优化吧！
3. 测试案例
为了方便演示，我模拟了一个小案例，方便大家看到实时结果，修改后的代码如下：
public static void Main(string[] args)
{
var filterItemList = new List<string>() { "conditon1", "conditon2", "conditon3", "conditon4", "conditon5", "conditon6" };
ParallelTest1(filterItemList);
}
public static void ParallelTest1(List<string> filterItemList)
{
var totalCustomerIDList = new List<int>();
bool isfirst = true;
Parallel.ForEach(filterItemList, new ParallelOptions() { MaxDegreeOfParallelism = 2 }, (query) =>
{
var smallCustomerIDList = GetCustomerIDList(query);
lock (filterItemList)
{
if (isfirst)
{
totalCustomerIDList.AddRange(smallCustomerIDList);
isfirst = false;
}
else
{
totalCustomerIDList = totalCustomerIDList.Intersect(smallCustomerIDList).ToList();
}
Console.WriteLine($"{DateTime.Now} 被锁了");
}
});
Console.WriteLine($"最后交集客户ID:{string.Join(",", totalCustomerIDList)}");
}
public static List<int> GetCustomerIDList(string query)
{
var dict = new Dictionary<string, List<int>>()
{
["conditon1"] = new List<int>() { 1, 2, 4, 7 },
["conditon2"] = new List<int>() { 1, 4, 6, 7 },
["conditon3"] = new List<int>() { 1, 4, 5, 7 },
["conditon4"] = new List<int>() { 1, 2, 3, 7 },
["conditon5"] = new List<int>() { 1, 2, 4, 5, 7 },
["conditon6"] = new List<int>() { 1, 3, 4, 7, 9 },
};
return dict[query];
}
------ output ------
2020/04/21 15:53:34 被锁了
2020/04/21 15:53:34 被锁了
2020/04/21 15:53:34 被锁了
2020/04/21 15:53:34 被锁了
2020/04/21 15:53:34 被锁了
2020/04/21 15:53:34 被锁了
最后交集客户ID:1,7
二：第一次优化
从结果中可以看到，filterItemList有6个，锁次数也是6次，那如何降低呢？ 其实实现Parallel代码的FCL大神也考虑到了这个问题，从底层给了一个很好的重载，如下所示：
public static ParallelLoopResult ForEach<TSource, TLocal>(OrderablePartitioner<TSource> source, ParallelOptions parallelOptions, Func<TLocal> localInit, Func<TSource, ParallelLoopState, long, TLocal, TLocal> body, Action<TLocal> localFinally);
这个重载很特别，多了两个参数localInit和localFinally,过会说一下什么意思，先看修改后的代码体会一下
public static void ParallelTest2(List<string> filterItemList)
{
var totalCustomerIDList = new List<int>();
var isfirst = true;
Parallel.ForEach<string, List<int>>(filterItemList,
new ParallelOptions() { MaxDegreeOfParallelism = 2 },
() => { return null; },
(query, loop, index, smalllist) =>
{
var smallCustomerIDList = GetCustomerIDList(query);
if (smalllist == null) return smallCustomerIDList;
return smalllist.Intersect(smallCustomerIDList).ToList();
},
(finalllist) =>
{
lock (filterItemList)
{
if (isfirst)
{
totalCustomerIDList.AddRange(finalllist);
isfirst = false;
}
else
{
totalCustomerIDList = totalCustomerIDList.Intersect(finalllist).ToList();
}
Console.WriteLine($"{DateTime.Now} 被锁了");
}
});
Console.WriteLine($"最后交集客户ID:{string.Join(",", totalCustomerIDList)}");
}
------- output ------
2020/04/21 16:11:46 被锁了
2020/04/21 16:11:46 被锁了
最后交集客户ID:1,7
Press any key to continue . . .
很好，这次优化将lock次数从6次降到了2次，这里我用了 new ParallelOptions() { MaxDegreeOfParallelism = 2 } 设置了并发度为最多2个CPU核，程序跑起来后会开两个线程，将一个大集合划分为2个小集合，相当于1个集合3个条件，第一个线程在执行3个条件的起始处会执行你的localInit函数，在3个条件迭代完之后再执行你的localFinally，第二个线程也是按照同样方式执行自己的3个条件，说的有点晦涩，画一张图说明吧。
三： 第二次优化
如果你了解Task<T>这种带有返回值的Task，这就好办了，多少个filterItemList就可以开多少个Task，反正Task底层是使用线程池承载的，所以不用怕，这样就完美的实现无锁编程。
public static void ParallelTest3(List<string> filterItemList)
{
var totalCustomerIDList = new List<int>();
var tasks = new Task<List<int>>[filterItemList.Count];
for (int i = 0; i < filterItemList.Count; i++)
{
tasks[i] = Task.Factory.StartNew((query) =>
{
return GetCustomerIDList(query.ToString());
}, filterItemList[i]);
}
Task.WaitAll(tasks);
for (int i = 0; i < tasks.Length; i++)
{
var smallCustomerIDList = tasks[i].Result;
if (i == 0)
{
totalCustomerIDList.AddRange(smallCustomerIDList);
}
else
{
totalCustomerIDList = totalCustomerIDList.Intersect(smallCustomerIDList).ToList();
}
}
Console.WriteLine($"最后交集客户ID:{string.Join(",", totalCustomerIDList)}");
}
------ output -------
最后交集客户ID:1,7
Press any key to continue . . .
四：总结
我们将原来的6个lock优化到了无锁编程，但并不说明无锁编程就一定比带有lock的效率高，大家要结合自己的使用场景合理的使用和混合搭配。
好了，本篇就说到这里，希望对您有帮助。
如您有更多问题与我互动，扫描下方进来吧~
